如何針對工業(yè)應用改造螺線管和步進電機驅動器
發(fā)布日期:2024-03-09
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作者：Bill Schweber
工廠車間控制系統(tǒng)、汽車和實驗室設備等邊緣設備應用越來越多地利用物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和人工智能 (AI) 功能，以實現(xiàn)低延遲決策、更強性能、更低成本以及更高的安全性和生產(chǎn)力。螺線管和步進電機的驅動器需要與時俱進，加入更多板載傳感和智能功能，以便集成到快速發(fā)展的新環(huán)境中，進一步改善精度、可靠性、閉環(huán)控制、成本、占地面積以及易用性。
本文總結了螺線管和步進電機的基本操作，并概述了專為智能邊緣應用設計的驅動器 IC 的優(yōu)勢。然后，文中介紹并解釋了如何使用 Analog Devices 的示例驅動器開始設計。
螺線管和步進電機：相似而又不同
螺線管和步進電機通過充當電磁體的繞接線圈將電流轉換為物理運動。盡管二者在外觀和功能上存在差異，但線圈的共性使得在某些情況下，兩種致動器可以使用相同的驅動器 IC。
螺線管是一種相對簡單的元器件，可通過施加電流產(chǎn)生線性機械運動。此類元器件中有電氣線圈繞在圓柱形管上，而空芯位置有一個鐵磁致動器（也稱為柱塞或電樞），可在線圈內部自由移動（圖 1，左）。
相比之下，步進電機則用到多個定子線圈，這些線圈圍繞電機機身呈圓周排列（圖 1，右）。電機轉子上還裝有一組永磁體。
圖 1：螺線管的結構包括帶內部滑動柱塞的繞接線圈（左圖）；步進電機則更為復雜，轉子上有永磁體，定子上有電磁線圈（右圖）。（圖片來源：Analog Devices、Monolithic Power Systems）
對于螺線管，柱塞的運動源自施加電流時發(fā)生的單次“沖撞”，這會將柱塞撞擊到極限位置。斷電后，大多數(shù)螺線管會利用彈簧將柱塞恢復到所謂的靜止位置。
在最基本的驅動方案中，螺線管由清晰的開/關電流脈沖控制。雖然這種方法簡單直接，不過缺點頗多，包括沖擊力大、振動大、聲學噪音和電氣噪音大、電氣效率低，而且?guī)缀鯚o法控制柱塞的動作或返回。
隨著定子線圈依次通電，由此產(chǎn)生的旋轉磁場拉動電樞磁鐵，使步進電機開始旋轉。通過控制時序，步進電機的轉子可以連續(xù)旋轉、停止，或者反向旋轉。
與不需要考慮定時問題的螺線管不同，定子線圈必須按順序依次通電，并滿足正確的脈沖寬度等特性要求。
智能驅動器突破限制，提升性能
通過謹慎控制驅動螺線管和步進電機線圈的電流，包括波形輪廓形狀、上下斜率和其他參數(shù)，智能驅動器可帶來諸多優(yōu)勢，包括：
· 增強運動和旋轉的平穩(wěn)性，盡量減少顫動
· 減少振動和沖擊，尤其是對于螺線管
· 步進電機啟動/停止/反向運動的定位更加精確
· 性能穩(wěn)定，可適應瞬態(tài)或多變的負載條件
· 提高效率
· 減少物理磨損
· 產(chǎn)生的聲學噪音和電氣噪音更少
· 易于與監(jiān)控處理器連接，這對于物聯(lián)網(wǎng)設施至關重要
Analog Devices 的 MAX22200 是一款集成式串行控制螺線管和電機驅動器，展示了精密驅動器對于螺線管的意義（圖 2）。這款 36 V IC 中的 8 個 1 A 半橋驅動器可以并聯(lián)，將驅動電流提升一倍，也可配置為全橋，以驅動多達 4 個閉鎖閥（也稱為雙穩(wěn)態(tài)閥）。
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圖 2：Analog Devices MAX22200 是一款集成式串行控制螺線管和電機驅動器，具有八個可按不同配置排列的半橋驅動器。（圖片來源：Analog Devices）
該驅動器支持兩種控制方法：電壓驅動調節(jié) (VDR) 和電流驅動調節(jié) (CDR)。使用 VDR 時，器件輸出脈寬調制 (PWM) 電壓，其占空比可通過 SPI 接口編程。對于給定電源電壓和螺線管電阻，輸出電流與編程的占空比成正比。CDR 屬于閉環(huán)控制形式，由集成式無損電流感應電路感測電流，并與內部可編程基準電流進行比較。
不同于簡單的電流源驅動器，MAX22200 可以量身定制電流驅動分布。為了優(yōu)化螺線管驅動應用中的電源管理，可以單獨配置每個通道的勵磁驅動電流 (IHIT)、保持驅動電流 (IHOLD) 和勵磁驅動時間 (tHIT)。此外，它還提供多種與保護和故障相關的功能，包括
· 過流保護 (OCP)
· 負載開路 (OL) 檢測
· 熱關斷 (TSD)
· 欠壓鎖定 (UVLO)
· 柱塞運動檢測 (DPM) 驗證
前四項是眾所周知的標準功能。DPM 則需要進一步解釋。舉例而言，在螺線管控制的閥門中，如果螺線管啟動時閥門工作正常，則電流分布不是單調的（圖 3，黑色曲線）。相反，受柱塞運動產(chǎn)生的反向電動勢 (BEMF) 影響，電流會出現(xiàn)下降（圖 3，藍色曲線）。
圖 3：在驅動螺線管時，當螺線管從起始電流 (ISTART) 被驅動到最終勵磁驅動電流 (IHIT) 時，MAX22200 可通過判斷預期 BEMF 驅動電流下降與閾值 (IDPM_TH) 的關系來檢測螺線管或閥門是否卡住。（圖片來源：Analog Devices）
當設置并用于螺線管時，MAX22200 的 DPM 功能會在勵磁階段檢測是否存在 BEMF 下降。如果未檢測到下降，則會在 FAULT 引腳和內部故障寄存器中設置指示。
評估套件幫助簡化流程
為了解決系統(tǒng)在不同靜態(tài)和動態(tài)需求以及負載條件下的性能問題，Analog Devices 為 MAX22200 提供了 MAX22200EVKIT# 螺線管控制電源管理評估板（圖 4）。該評估套件 (EVK) 支持 MAX22200 的串行控制，并支持通過板載 USB 轉 SPI 接口和 MAX32625 微控制器進行故障監(jiān)測。它包括一個 Windows 兼容的圖形用戶界面 (GUI)，用于執(zhí)行 MAX22200 IC 的功能，使其成為一個基于 PC 的完整評估系統(tǒng)。
圖 4：用于 MAX22200 的 MAX22200EVKIT# 螺線管控制電源管理評估板，可通過基于 Windows 的圖形用戶界面對 IC 及其負載進行充分測試。（圖片來源：Analog Devices）
這塊完整組裝且經(jīng)過測試的電路板可配置為高壓側/低壓側螺線管，也可用于閉鎖閥（通常由螺線管驅動）或有刷直流電機。
步進電機：控制自由度更高
步進電機比螺線管更復雜，控制要求更高。這從 Analog Devices 的 TMC5240（圖 5）中可見一斑，其是一款集成的高性能步進電機控制器和驅動器 IC，具有串行通信接口（SPI、UART）和豐富的診斷功能，并提供嵌入式算法。
圖 5：TMC5240 高性能步進電機控制器和驅動器 IC 中嵌入了復雜的算法，可幫助螺線管和步進電機實現(xiàn)最佳性能。（圖片來源：Analog Devices）
該 IC 包含一個靈活的八點斜坡發(fā)生器，可將自動目標定位中的急動度降至最低。急動度是加速度的變化率，急動度過大會導致諸多系統(tǒng)問題及性能問題。這款步進電機驅動器集成了導通電阻為 0.23 Ω 的 36 V、3 A H 橋以及非耗散集成電流感測 (ICS)。TMC5240 采用 5 × 5 mm 小型 TQFN32 封裝和帶裸焊盤的 9.7 × 4.4 mm 散熱優(yōu)化 TSSOP38 封裝。
TMC5240 具有獨特的先進功能，可實現(xiàn)更高的精度，并支持高能效、高可靠性、平滑運動以及低溫運行。這些功能包括：
· StealthChop2：采用無噪音、高精度斬波算法，讓電機運動和靜止安靜無聲，與較簡單的 StealthChop 相比，該功能可實現(xiàn)更快的電機加減速
· SpreadCycle：高精度、逐周期電流控制，可實現(xiàn)最高動態(tài)運動
· StallGuard2：為 SpreadCycle 提供無傳感器失速檢測和機械負載測量
· StallGuard4：為 StealthChop 提供無傳感器失速檢測和機械負載測量
· CoolStep：利用 StallGuard 測量調整電機電流，以盡可能提升效率并降低電機和驅動器的發(fā)熱量
用戶可以預先設置這些功能，并在電機運行周期內調用。此外，還可以結合加速度來控制扭矩，在達到所需值的同時，實現(xiàn)高效而平穩(wěn)的加減速。
例如，三個加減速段的組合可以有兩種用途：在較低速度下使用較高加速度值以適應電機扭矩曲線，或者在從一個加速段過渡到下一個時減少急動。針對這兩類情況，TMC5240 控制器憑借八點運動曲線生成器，可在所需目標位置實時變化的同時保持恒定速度段，從而實現(xiàn)順暢的模式轉換（圖 6）。
圖 6：TMC5240 提供八點斜坡，支持實時目標位置更改，可實現(xiàn)順暢的模式轉換。（圖片來源：Analog Devices）
鑒于該驅動器 IC 的靈活性、多功能性與復雜性，TMC5240-EVAL 評估板已成為一款頗受歡迎的輔助工具（圖 7）。它使用 IC 的標準原理圖，并在軟件中提供多個選項，讓設計人員能夠測試不同的工作模式。
圖 7：使用 TMC5240-EVAL 評估板和相關圖形用戶界面，設計人員可以根據(jù)特定的致動器和負載組合，研究并微調 TMC5240 的性能。（圖片來源：Analog Devices）
針對評估和設計要求復雜性較低的設計人員，Analog Devices 還提供了 TMC5240-BOB。這款基本型 IC 分線板將 TMC5240 的物理引腳連接到便于用戶訪問的針座排上。
總結
通過為螺線管和步進電機驅動器增加智能功能，可提供更好的控制和故障檢測，實現(xiàn)實時決策，并與更高級別的控制系統(tǒng)或基于人工智能的生產(chǎn)力系統(tǒng)進行通信。利用 Analog Devices MAX22200 和 TMC5240 等高度集成的驅動器，用戶能夠快速啟動并運行高級算法，針對特定應用優(yōu)化螺線管和步進電機的性能。
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